氣凝膠到底是什么材料? 熱象納米帶你走進氣凝膠的神奇世界

一. 氣凝膠定義：

                   氣凝膠，又稱干凝膠，是化學溶液反應后形成的溶膠，然后去除凝膠中的溶劑，使空間網結構充滿氣體，固體密度低（接近空氣密度）多孔材料。

               氣凝膠具有超輕、低密度、納米微孔、超細蜂窩孔尺寸和多孔結構，由聚合鏈連接而成。孔徑一般低于 100 nm，氣凝膠顆粒尺寸通常小于 200nm。可由無機材料(如二氧化硅、氧化鋁等)、有機材料(如聚酰亞胺、碳等)或混合材料(如凝膠玻璃等)制成。

二.氣凝膠概述：

                   氣凝膠是一種由美國組成的納米多孔結構材料Kistler.S.該發明創造了15項吉尼斯紀錄，在熱學、光學、電學、力學、聲學等領域表現出許多奇怪的性能，又稱藍煙和凍結煙。自20世紀90年代以來，它被稱為改變世界的神奇材料，被列為十大熱門技術之一。自20世紀90年代以來，它被稱為改變世界的神奇材料，被列為十大熱門技術之一。它是一種具有巨大應用價值的軍民兩用技術。

氣凝膠是世界上較輕、保溫性能較好的固體材料，被選為世界吉尼斯紀錄，氣凝膠密度低、導熱性低、表面積高、孔隙率高，較初廣泛應用于航空航天、軍事工業等高端技術領域，隨著我國經濟轉型升級和國家納米材料戰略的實施，氣凝膠納米材料已逐漸廣泛應用于工業、建筑、汽車、電子等行業。

由于成分不同，氣凝膠主要包括二氧化硅氣凝膠、氧化鋁氣凝膠、氧化鋯氣凝膠和碳氣凝膠。目前，二氧化硅氣凝膠的絕緣性能較引人注目，技術較成熟。國內外氣凝膠的工業化發展主要集中在二氧化硅氣凝膠的絕緣應用上。如果沒有特別說明，氣凝膠被稱為二氧化硅氣凝膠。

   氣凝膠材料近年來引起了政府、學術界、企業界和投資界的廣泛關注，隨著我國經濟轉型升級、節能降耗政策的不斷推進和納米材料戰略的實施。

   氣凝膠是中國幾乎與世界同步、競爭力強的高科技和產品之一。從某種意義上說，中國氣凝膠產業的發展將對世界氣凝膠產業的發展產生越來越大的影響。

   目前，中國大學和研究所在氣凝膠領域的研究深度和廣度，以及中國企業在低成本氣凝膠制造技術方面的毅力，都處于世界**。也許在未來，我們將看到華為依靠技術創新和低成本成為氣凝膠領域的企業。

三.氣凝膠分類：

氣凝膠根據基體的化學性質可分為 4 類：

   無機氣凝膠：

1) 氧化物(如二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦)；

2) 氟化物(如氟化鎂、氟化鈣)；

3) 碳化物(如碳化硅、碳化硼)；

4) 氮化物(如氮化硼、氮化鈦)；

5) 混合氧化物(如二氧化鈦-氧化硅、氧化釩-二氧化鈦)。

   有機氣凝膠：

1) 醛系(如間苯二酚-甲醛，三聚氰胺-甲醛……）；

2) 脲類衍生物(如氨基甲酸乙酯氣凝膠)；

3) 聚合物(如聚酰亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚雙環戊二烯)；

4) 碳，包括碳納米管。

   混合氣凝膠：

混合氣凝膠含有有機和無機相，主要由二氧化硅氣凝膠改性而成。

如二氧化硅/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）……

   復合氣凝膠：

氣凝膠復合材料由兩種或兩種以上具有不同化學和物理性質的材料制成；一種材料

形成基體(或連續相)，其它材料形成分散相。氣凝膠可作為氣凝膠復合材料的基體，

也可用作分散相。

1) 纖維增強氣凝膠；

2) 其它氣凝膠復合材料。

四.制備氣凝膠：

五.氣凝膠特性：

六.氣凝膠的隔熱原理：

無對流效應：

氣凝膠納米材料中的氣孔直徑小于70nm,氣孔中的空氣分子失去了自由流動的能力，處于真空狀態，無法進行熱對流。

無限遮擋效果：

氣凝膠的氣孔為納米氣孔，密度極低。氣凝膠中的氣孔往往是無限的，每個氣孔壁都有板的作用，產生幾乎無限的遮陽板效果，較大限度地減少熱輻射。

無限長疏松路徑效應：

氣凝膠密度極低，比表面大，體積骨架松散。氣凝膠有無限的納米孔，熱量沿著氣凝膠固體材料的孔壁傳導。無限的孔壁構成了無限的長松路徑效應，較大限度地降低了固體的熱傳導能力。

與其他傳統保溫材料相比，氣凝膠產品具有導熱性較低、隔熱效果明顯的優點。氣凝膠材料的導熱系數隨溫度變化很小。隨著溫度的升高，傳統保溫材料的導熱系數發生了很大的變化，隔熱效果也會變差。

七.國內外氣凝膠市場分析：

   1.全球氣凝膠市場情況

Allied2014年6月發布的報告，2013年2013年全球氣凝膠的市場價值.預計2020年將達到218億美元.966億美元在預測期內(2014年)–2020年復合增長率為36.4%。隨著氣凝膠材料在新應用領域的不斷進步，預計隨著時間的推移，市場增長的動力將進一步增強.

據了解，美國Aspen公司2008~2013年復合增長率為33.8%，Allied的報告主要基于美國Aspen事實上，隨著亞太市場的發展，特別是中國氣凝膠企業的崛起，保守的業績預測報告將顯著加快。

據Freedonia報道，2010年全球絕緣材料市場估計為321億美元，未來年增長率為 6.3%，到2019年可達556億美元。工業設備領域約占總份額的三分之一，建筑領域約占總份額的三分子二。

目前，氣凝膠材料占據了整個保溫材料市場金字塔模型的頂部。目前，整個保溫材料市場的規模幾乎微不足道。一方面，氣凝膠行業仍處于起步階段，也預示著未來巨大的發展空間。

目前，制約氣凝膠市場擴張的較大障礙是價格高。一旦氣凝膠材料的生產成本顯著降低，市場規模將急劇擴大，產品銷售將迅速擴大，傳統保溫材料將被革命性地取代。

   那么，氣凝膠爆發的拐點是什么時候呢？事實上，隨著氣凝膠材料市場價格的下降，在工業絕緣領域，氣凝膠材料的總成本接近傳統絕緣材料的使用，但具有節能、節省空間、防腐、壽命長等顯著優點。根據多年的工業數據和經驗，氣凝膠快速發展的拐點實際上已經悄然到來，一些技術領先的氣凝膠企業將實現爆炸性發展！

氣凝膠行業氣凝膠行業已進入爆炸性增長階段。預計年復合增長率將超過55%，傳統絕緣材料，特別是在工業和設備領域，將在未來10年迅速取代。~10年可能達到每年19年~規模170億美元。

2.國內氣凝膠市場

國內市場起步較晚，早期主要是國外氣凝膠產品銷售，價格昂貴，營銷力度小，近年來隨著國內氣凝膠企業、實力、成本、規模、規模的逐步增長，由于國內節能減排政策和經濟規模的快速擴大，氣凝膠行業進入了快速發展渠道。

2014年國內氣凝膠產量約8500立方米，進口產品約1500立方米，市場規模約1500立方米.82億元。隨著氣凝膠工藝成本的降低和工業規模的不斷擴大，氣凝膠市場日益成熟。

作為一個新興經濟體，中國將以快于國際平均水平的速度快速增長市場，并在未來幾年進入快速增長階段。2015年是國內氣凝膠規模突變的一年，預計新產能將達到1.6萬~19600立方米2萬立方米，進口產品約1000立方米，市場規模預計為3萬立方米.2020年將達到37億.2015年至2020年的復合增長率約為61億元.1%。

目前，國內軍事需求主要集中在航天、武器、艦艇等領域；石化、軌道交通、電力工業、礦山地下救生艙、城市熱管網已形成一定的市場規模，并繼續快速增長、特種服裝和帳篷LNG管道和建筑節能領域的應用也開始少量試用，后期市場巨大。

根據國家新材料產業十二五發展規劃，保溫材料產值將達到1200億元。預計十三五節能環保產業將繼續快速發展。根據熱象納米技術，預計氣凝膠材料將于2015年至2020年廣泛應用于工業設備領域，2020年將全面取代傳統工業保溫材料，共享每年約500億元的國內市場。預計氣凝膠材料將于2020年在建筑領域大規模應用，2025年將全面取代傳統建筑保溫材料，共享每年1000多億元的國內市場。

八.市場應用成熟，經濟性高，是二氧化硅氣凝膠的制備。目前工業、建筑、電子行業80%以上的氣凝膠產品都是以二氧化硅為骨架的多孔納米氣凝膠材料.制備路線如下：

氣凝膠的性能主要由其納米孔結構決定。一般來說，所需的納米孔和相應的凝膠骨架是通過溶膠凝膠工藝獲得的。由于凝膠骨架中溶劑的表面張力，骨架在普通干燥條件下會坍縮。氣凝膠制備技術的核心是避免干燥過程中毛細管力引起的納米孔結構坍塌。

一般可以從以下幾個方面采取措施來消除應力：

根據干燥工藝的不同，主要分為超臨界干燥工藝和常壓干燥工藝，其他尚未實現批量生產工藝、真空冷凍干燥、亞臨界干燥等。

   超臨界干燥技術是第一種實現氣凝膠批量制備的技術，相對成熟。目前，國內外氣凝膠企業采用了更多的技術。超臨界干燥的目的是使溶劑在干燥過程中達到自身的臨界點，形成超臨界流體。溶劑在超臨界狀態下沒有明顯的表面張力，使凝膠在干燥過程中保持良好的骨架結構。目前，量生產技術一般采用二氧化碳作為干燥介質，稱為二氧化碳超臨界干燥技術。

   常壓干燥是一種新型的氣凝膠制備工藝，是目前研究較活躍、發展潛力較大的氣凝膠批量生產技術。其原理是利用疏水基團對凝膠骨架進行改性，避免硅羥基在凝膠孔表面結合，提高彈性。同時，用低表面張力液代替原高比表面積的水或乙醇，在常壓下直接干燥，獲得性能優異的氣凝膠材料。

   簡要分析比較以下兩條技術路線：

   設備投資：超臨界干燥技術采用高壓釜核心設備，一般工作壓力高達7~20MPa，壓力容器屬于特種設備，設備系統復雜，運行維護成本高。現有國內廠家可提供超臨界設備，但數量少，業主議價能力弱。常規常壓設備采用常壓干燥技術。與超臨界干燥相比，由于設備投資低，設備系統相對簡單，大多數化工設備單位可以加工制造，業主議價能力強。

   生產成本：氣凝膠的生產成本主要集中在硅源、設備折舊和能耗三部分。硅源主要包括水玻璃和硅膠。硅膠價格昂貴，但純度高，工藝適應性好。可應用于超臨界干燥工藝或常壓干燥工藝。目前，國內外采用超臨界干燥技術的企業基本采用硅源。水玻璃價格低廉，但雜質多，去除雜質的過程繁瑣。主要用于常壓干燥技術。在設備折舊方面，由于超臨界干燥技術設備投資高，折舊高于常壓技術。在能耗方面，超臨界干燥系統的功耗高于常壓 在干燥系統中，蒸汽消耗差別不大。因此，常壓干燥技術的生產成本一般低于超臨界干燥。

   產品性能：就二氧化硅氣凝膠而言，超臨界干燥技術與常壓干燥技術生產的產品沒有顯著或實質性的區別。基本上，超臨界技術可以達到技術指標，常壓干燥技術可以達到。在制備非二氧化硅氣凝膠時，超臨界干燥過程要成熟得多，但沒有大規模生產報告。

   技術門檻：相對而言，超臨界干燥技術的生產效率、安全性甚至工藝變化都高度依賴于設備系統。如果設備制造商提供的設備系統成熟可靠，業主進入技術的門檻相對較低，這也是許多氣凝膠行業新進入者選擇超臨界工藝的原因之一，但也更有限。常壓干燥技術設備投資門檻低，但技術門檻高，對配方設計和工藝組合優化要求高。若技術不合格，不但生產成本可能高于超臨界，而且性能指標也不能滿足要求。

   擴展空間：超臨界干燥作為一種特殊的高壓設備，如果擴大生產規模，固定資產投資巨大，如果未來氣凝膠滿足建筑保溫市場，如年產量50萬立方米（這只是中小型建材企業規模），超臨界干燥技術設備投資將達到數十億，非常不利于氣凝膠企業越來越強。常壓干燥技術，隨著規模的擴大，投入產出比將進一步提高，投資少，生產規模大，更能滿足未來大生產的需要。此外，由于硅源有限，超臨界原材料成本降低空間有限，只能通過優化系統提高生產效率，常壓干燥對廉價硅源具有較強的接受能力，工藝優化自由度更大，成本降低空間更大。

   通過以上分析，筆者認為超臨界干燥技術和常壓干燥技術各有優勢和合理性。但就像過去一樣去顯示器領域等離子技術和液晶技術的競爭一樣，二者曾難分伯仲，到現在液晶技術已完全勝出，隨著時間推移，筆者相信，就二氧化硅氣凝膠的制備生產，常壓干燥技術將較終獲得壓倒性的勝利。

九.氣凝膠發展面臨的問題

中國在2000之后才開始氣凝膠材料的市場化應用。當時氣凝膠產品比較單一，主要是“掉粉”的氣凝膠氈為主，應用在工業管道及設備的保溫隔熱。轉眼間，二十年快過去了，氣凝膠雖然被稱為“一種可以改變世界的神奇的材料”寄于厚望，但尷尬是的，氣凝膠產品多樣化及市場應用并沒有得到很快的提升。

“掉粉”是氣凝膠纖維氈在生產過程中無法克服的問題, 使用及裁切時”粉塵”對人體健康有害,吸入人體后很難被降解, 使用時需要用玻纖布或復合層層壓包裹才能正常使用,工藝復合,加工成本過高.

由于”掉粉”的問題,限制了氣凝膠在各行業的使用, 很多行業都想利用氣凝膠優異的隔熱性能,但由于環保的問題已做罷.

蘇州熱象納米科技面對中國氣凝膠產業發展緩慢的進程，面對如何打破國外氣凝膠技的封鎖，整裝上路，組建一支強有力的氣凝膠研發團隊，致力于氣凝膠高端產品應用開發和氣凝膠產品多樣化，解決氣凝膠“掉粉”的問題，根據產品應用空間要求，突破傳統氣凝膠氈厚度偏厚的問題，使氣凝膠產品輕薄化，解決狹小空間均熱隔熱問題，把氣凝膠的應用從單一工業領域帶到高端的消費類電子、人工智能、柔性顯示及醫療等領域應用。

熱象納米的氣凝膠產品均具有”不掉粉”的特性, 健康環保、使用方便的優勢, 部分產品屬全球首創。熱象納米開發的氣凝膠產品有：氣凝膠隔熱膜、氣凝膠隔熱泡棉、氣凝膠隔熱片 氣凝膠隔熱涂料 氣凝膠相變吸熱儲熱膜等產品.

1. 氣凝膠隔熱膜:

經過特殊工藝、使氣凝膠薄膜化，解決消費電子產品狹小空間的均熱問題、對弱耐熱元件的隔熱保護，可控制改變熱量傳導的方向，提升產品的性能及使用壽命。

氣凝膠隔熱膜不僅解決了氣凝膠“掉粉”的問題，同時具體更柔、更輕及更加優異的隔熱性能，可以代替日本松下NASBISE氣凝膠隔熱薄氈、美國GORE隔熱材、日本千代田等隔熱薄氈等產品，這些國外品牌的產品一方面價格昴貴，加一方面由于“掉粉”問題，模切加工時需要先包邊覆膜工藝復雜，模切時由于“掉粉”對模切車間的潔凈度及員工的身體健康也造成影響。

熱象納米開發的氣凝膠隔熱膜，除了隔熱性能優異外，價格也很具有競爭力，市場售價只有國外品牌的三分之一，極大的降低了客戶的采購成本，推動國內氣凝膠的應用發展。

氣凝膠隔熱膜利用氣凝膠低導熱率的特點，產品熱導率低至：0.018- 0.022 W/(m .K), 厚度：100μm- 400μm，產品柔性卷材，可滿足圓刀、平刀等多種模切加工，可與石墨片、銅箔等散熱材復合使用。

2. 氣凝膠隔熱泡棉:

新型耐高低溫、阻燃、隔熱緩沖多功能一體化泡棉

氣凝膠納米隔熱泡棉是一種新型納米隔熱材料，幫助電子行業、新能源電池、汽車行業及船舶**等行業解決隔熱防火、緩沖減震、隔音降噪、輕量化等方面需求。

低熱導率： 0.024-- 0.030W/(m . K )

耐高低溫性： - 80℃-- 300℃

抗永久形變： <10%

緩沖壓縮率: >75%

隔音降噪：0.085- 0.095 NRC

阻燃性 ： Ul94- V0

低密度 : 0.04g/cm3

3. 氣凝膠隔熱片:

氣凝膠隔熱片是熱象納米開發的氣凝膠全新產品，較大的亮點就是“不掉粉”隔熱效果比傳統的氣凝膠氈更優異，柔性易加工模切，符合FDA健康食品級安全.

4.氣凝膠相變吸熱儲熱膜:

開辟了除石墨片、銅箔、熱管等散熱材料與氣凝膠隔熱材料以外的第三種新型熱管理材料及方案

氣凝膠相變吸熱儲熱膜是一種新型納米熱管理材料，由一種熱容值高的聚合材料與氣凝膠納米孔相結合，通過相變過程中吸熱可將電子芯片急聚的熱量進行吸收儲存，并延遲溫升，消除或減小設備的降頻或死機的風險，也可以作為敏感元器件熱保護材料，通過相變吸熱防止熱量傳遞。

高熱容值 >200J/g

吸收疏導急聚的熱量

延緩溫升--消除設備降頻或死機

降低產品表面溫度---提升人體熱感的舒適度

可與散熱材料一起配合使用

卷材柔性易模切

5.氣凝膠隔熱涂料:

獨特的配方設計，氣凝膠微粉與耐高溫水性樹脂結合、較大的保留了氣凝膠納米孔結構和隔熱保溫性能，同時具有優異的耐高低溫、易施工、節能環保的特點。

優勢如下:

1.不受基材限制，設備上異形零件或不規則表面能很好隔熱保溫處理，做到與基材表面無縫結合，提升保溫隔熱效果。

2.干燥后，減少或消除結露現象，性能不會受到受潮氣影響，結構穩定，耐腐蝕性強。

3.達到相同的保溫效果，涂層更薄，節省空間及成本。

4.防止保溫涂料下基材的腐蝕，具有卓越的耐久性和耐候性。

5：減少輻射熱，保持內部溫度更加穩定，較外層導熱系數低，防燙傷，體感舒適，環保，不危害健康。

6：施工周期短，使設備停機時間同時大大縮短，方便設備檢修，使用壽命10年以上。

蘇州在中科院納米技術育成中心熱管理平臺創立，承載著科技與生活的責任感, 以前瞻性的眼光和恢弘的氣度，促進氣凝膠納米隔熱材料的技術突破及高端應用，以安全、可靠、創新的高新技術產品、高品位的服務，努力成為中國熱管理納米材料的合格供應商。

公司由氣凝膠隔熱材料專家及熱設計管理專家共同組建，致力于氣凝膠納米隔熱材料的研發、生產及銷售。公司在中科院納米技術育成中心蘇州基地建立研發中心，產品主要有氣凝膠隔熱膜、氣凝膠隔熱泡棉、氣凝膠隔熱片、氣凝膠相變吸熱儲熱膜、氣凝膠微粉、氣凝膠涂料等，產品主要應用于消費類電子、新能源汽車、工業設備、航天國防等行業，為客戶提供隔熱、散熱一體化納米材料及熱管理設計解決方案。

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李先生 flyle@tenanom.com

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